全球定位系統(GPS)星群由24顆或更多人造衛星組成，它們分別位于6個軌道平面內，高度大約是12550英里。這些人造衛星通過星載的原子鐘進行同步，不斷地以L波段上的兩個頻率來傳送測距信號、它們當前的時間以及軌道動態，這兩個頻率分別被稱為L1(1575.42MHz)和 L2(1227.6MHz)。民用GPS通常只使用L1波段，而勘測與軍事用途則需要同時使用L1和L2波段。

　　GPS星群的設計要保證在任何給定時間、在地球上的任何位置都至少能夠看到4顆人造衛星。使用4顆GPS人造衛星的測距和傳送的人造衛星軌道信息，GPS接收器就能夠準確地求出位置和時間。這是借助于數學手段，通過求出以4個或更多的人造衛星為中心的4個或更多球體的交點而完成的。

　　通過GPS位置解算可以得到當前的緯度、經度和高度，誤差在5m以內(僅使用L1波段)，而定時則精確到10ns以內。如果GPS接收器的位置固定，就可以將位置解固定，并采用距離測量來進一步提高時間解的精度。同樣，位置固定的接收器只要能看到一顆人造衛星就能夠得到時間解，這種情況可能出現在接收器的天空視野被部分遮擋的時候。

　　GPS 系統同步到其自身的時間標度——GPS時間，由美國海軍天文臺(USNO)提供。USNO運營著兩臺主時鐘設備來為GPS系統提供準確的時間，其中一臺在美國華盛頓特區(USNO)，而另一臺則在美國科羅拉多溫泉(Colorado Springs)縣(AMC)。GPS時間也與協調世界時間(UTC)保持同步，后者是國際時間標準。但是與UTC不同的是，UTC使用閏秒來加以修正以補償地球自轉的變化，而GPS時間則是一種連續的時間標度，無須上述修正。

　　GPS時間標度中沒有時間跳躍，這一點簡化了GPS接收器中連續的時間和位置求解。在1980年，UTC和GPS時間是對準的。但自此之后，UTC就通過增加閏秒來進行周期性的修正，所以GPS時間現在要比UTC時間超前15s。GPS人造衛星的數據廣播中包含了UTC修正參數以及對未來的閏秒的預告。這就使得GPS接收器能夠根據GPS時間來計算UTC時間。

　　GPS 接收器以標準格式輸出人造衛星的信息和時間/位置解。NMEA0183或NMEA2000規范對最常見的格式進行了定義。這些規范所定義的語句包括了可見人造衛星、人造衛星信號強度、GPS或UTC時間解和位置解。制造商可能也會定義語句，以便用定制的格式來輸出數據或者提供對自家GPS接收器特殊功能的訪問。

　　基于GPS的定時與同步解決方案既可作為一種時間源或時間參考，也可以作為一種簡單的時間比對方法。過去，高端機架安裝系統通常都基于銣時鐘技術，它能夠在長達數周時間內與主參考時鐘精度維持極其嚴格的長時間穩定特性，是這個領域的一種標準供應品。當然，高端技術的價格也會很高。不難想到，一個這種類型的機架安裝單元可能就需要花費數千至數萬美元。

　　不過，目前，得益于元件設計、制造技術的進步和不斷變化的規格要求，基于GPS的時間和同步解決方案已經在各類不同技術領域的許多不同應用中變得非常普及。有簡單的GPS定時接收器，小批量價格在75美元以內;也有更為復雜的基于GPS的設備，具有極佳的相位噪聲和保持特性，價格在每臺500美元以下，基于GPS的定時和同步已經可提供給任何應用使用。

　　這個過程是對GPS接收器的定時要求進行優化而開始的。GPS定時輸出信號，或1pps(脈沖/秒)，根據實現的不同，其精度通常可達納秒或毫秒，是對人造衛星所提供GPS時間的一種直接反映。某些GPS定時接收器也能夠從PPS中產生出準確的頻率輸出。

　　相位

　　準確的時間是GPS解決方案不可缺少的組成部分。GPS定時接收器可以通過求解位置和時間的三角等式，從而將位置確定到1m以內，將時間確定到納秒級。通過連續求解GPS等式，就能夠在本地(在接收器處)對GPS時間標度進行重建。過程噪聲事件——與GPS時間標度的偏差，表現為相位(時間)誤差。因為接收器的本地時鐘同步到GPS時間標度，所以接收器能夠產生精確的每秒1個脈沖的1pps輸出，它與GPS時間標度之間的誤差只有數納秒。

　　保持

　　在接收不到GPS信號的時間段內，接收器會進入保持模式，它將根據最后一次GPS時間和時鐘漂移解及本地時鐘的穩定性來生成定時輸出。通過存儲最后一次已知是正確的時間和時鐘漂移解，1pps和頻率輸出的穩定性就只取決于本地振蕩器的穩定性。

　　對于嚴格的保持要求而言，接收器的溫度控制振蕩器(TCXO)可以更換為具有所需穩定性的恒溫振蕩器(OCXO)。一旦從保持模式恢復正常，1pps和頻率輸出就恢復為GPS的計算解。

　　高級GPSDO解決方案

　　隨著對規格更為敏感的應用需求在市場上變得越來越重要，更精確、成本更低的基于GPS的定時和頻率設備就變得越來越多。在標準GPS定時接收器的基礎上，更為復雜的GPSDO(GPS鎖定晶體振蕩器)增加了鎖相環電路和穩定性更高的振蕩器，以提高設備的相位和保持性能。

　　這些設備具有許多不同的尺寸和形狀因子，既有帶通孔引腳以便在PCB安裝的單元，也有已包裝好、帶有標準接頭以便于集成的單元。GPSDO的價格通常在200～1000美元的范圍內，取決于其外形和特性。

　　現在，我們得到了高精度的時間和頻率信息，而成本只是此前的一小部分。用戶不再必須購買昂貴而復雜的機架安裝系統，因為精心設計的帶有PPS和頻率輸出的GPS接收器能更好地滿足他們的需求。在選擇GPS定時/頻率解決方案時，應該參照下面這些簡單的準則：

　　1. 確認你的GPSDO解決方案供應商完全支持設備的GPS接收器部分。如果供應商的解決方案中的GPS接收器部分是從其他公司獲得的，那么它就很有可能并不具備為其客戶提供正確支持所必需的GPS經驗。

　　2. 確認你的GPSDO解決方案供應商設計并開發了在其設備中所使用的振蕩器。同樣，如果它沒有特定的振蕩器經驗，可能就無法為客戶的技術需求提供直接支持。

　　3. 確認你的GPSDO供應商在提供這些類型的基于GPS的定時和頻率解決方案方面擁有較長的從業歷史。將這些設備的元件整合到單個設計中并不是一項簡單的事情。復雜的濾波和GPS固件設計是產品中不可缺少的部分。總是有些名不副實的供應商，它們只是拋出自己的解決方案和任何可用的部件，而沒有全面理解自己的產品或者將會整合這些產品的應用。

　　4. 確認你的GPSDO供應商熟悉你的應用的特性。在購買任何GPSDO設備之前，先與供應商討論一下你的應用。通過簡單的技術交談，你就能夠知道供應商是否能夠為你的需求提供正確的支持。

　　5. 確認自己確切地了解應用的定時和/或頻率控制的技術需求。你對性能要求表達地越清楚，你就越有機會獲得能完美地適用于你的應用的GPS解決方案。公司往往都會對自己的需求提出過高的要求，結果就會購買昂貴的系統，超出了自己的實際需求。